JP6260168B2 - 脆性材料基板の加工方法および加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板などの脆性材料基板を分断する技術に関し、特に、パルスレーザ光の照射によって分断の起点を形成する技術に関する。

ガラス基板などの脆性材料基板を分断するにあたって、その起点となる部分をパルスレーザ光の照射によって形成する技術が既に公知である（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特許文献１には、パルスレーザ光の個々のパルス光の被照射領域（局部）において光エネルギ吸収によるアブレーションを生じさせることによって当該領域に存在する物質を蒸発・飛散させることで、当該領域に、その周辺部に形成された微小クラック群を含めた溶解痕を形成し、係る溶解痕が列設してなるミシン目状の分離容易化領域に沿って基板を分断する技術が開示されている。

特許文献２においては、（当該文献においても特許文献１として提示されている）特許文献１に開示された技術の場合には分断後の個片の端面強度が低くなるという問題点が指摘されたうえで、脆性材料基板に対してパルスレーザ光を走査しつつ連続的に（個々のパルス光がオーバーラップする態様にて）照射し、パルスレーザ光の被照射領域において光エネルギ吸収によるアブレーションを生じさせることによって当該領域に存在する物質を蒸発・飛散させるとともに、該アブレーションが生じる領域の隣接領域においては脆性材料基板を局所的に溶融・再固化させることによって、分断の起点となる連続的なスクライブ溝を形成しつつ、分断後の個片の端面強度を従来よりも大きくすることが可能な技術が開示されている。

特開２００５−２７１５６３号公報 特開２０１０−２７４３２８号公報

特許文献２に開示された手法は確かに、分断後の個片における端面強度の向上には一定の効果を奏するが、形成されるスクライブ溝の底部が比較的大きな曲率半径を有する曲面となっているために、係る手法を適用した後の脆性材料基板にける分断のしやすさ（確実性）という点においては、必ずしも十分なものではなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも容易かつ確実に脆性材料基板を分断することが可能となるとともに、分断後の個片の端面強度を従来よりも大きくすることが出来る脆性材料基板の加工方法および加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、脆性材料基板を分断予定位置に沿って加工する方法であって、パルスレーザ光を集光して、前記脆性材料基板の表面に、前記分断予定位置に沿って走査しつつ照射することにより、前記分断予定位置に沿った溝部を形成するとともに前記溝部から前記基板の厚み方向へと伸展する亀裂を形成する、溶融アブレーション工程と、前記溶融アブレーション工程を経た前記脆性材料基板の表面を冷却する冷却工程と、を備え、前記溶融アブレーション工程においては、前記パルスレーザ光の被照射領域のうち前記パルスレーザ光の前記集光位置の直下に位置する第１の領域における前記脆性材料基板の構成物質の蒸発および飛散と、前記第１の領域に隣接する第２の領域における前記構成物質の溶融および再固化とを生じさせる、溶融アブレーションが生じる照射条件にて、前記パルス光を照射することにより、前記溝部の対向する１対のエッジをなす部分である前記溝部の上端部が、前記脆性材料基板の上面から連続する曲面として形成される、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の脆性材料基板の加工方法であって、前記パルスレーザ光はＵＶレーザである、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の脆性材料基板の加工方法であって、前記冷却工程においては液体、気体または液体と気体の混合物により前記脆性材料基板の表面を冷却する、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の脆性材料基板の加工方法であって、前記溶融アブレーション工程においては、前記溝部が、前記上端部と、中間部と、底部との３つの部位からなるように形成され、前記中間部は、それぞれが前記上端部から連続する、前記脆性材料基板の厚み方向に沿った一対の面が、対向するようにあるいは前記上端部の近傍よりも前記底部の近傍の方が間隔が広くなるような平坦面あるいは曲面として形成され、前記底部は、前記中間部をなす前記一対の面のそれぞれと連続してなる曲面として形成される、ことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の脆性材料基板の加工方法であって、前記溶融アブレーション工程においては、オーバーラップがない場合にはアブレーションが生じることのないレーザ強度の単パルス光をオーバーラップさせた前記パルスレーザ光の照射によって前記溶融アブレーションを生じさせる、ことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載の脆性材料基板の加工方法であって、前記パルスレーザ光は波長が３５５ｎｍのＵＶレーザであり、前記溶融アブレーション工程においては、レーザ出力：４Ｗ〜２０Ｗ；レーザ強度：１．５６×１０ ^１０ Ｗ／ｃｍ ^２ 〜７．８１×１０ ^１０ Ｗ／ｃｍ ^２ ；パルス繰り返し周波数：０．２ＭＨｚ〜１．０ＭＨｚ；パルス幅：０．５ｎｓ〜１００ｎｓ；走査速度：１００ｍｍ／ｓ〜４００ｍｍ／ｓ；オーバーラップ率：９３．５％〜９８．２５％；集光位置における集光径：６μｍ〜１０μｍ、という条件で前記パルスレーザ光が照射される、ことを特徴とする。

請求項７の発明は、脆性材料基板表面の分断予定位置に沿ってレーザ光を照射するレーザ加工装置であって、パルスレーザを出射するレーザ光源と、前記パルスレーザを集光して前記脆性材料基板の表面に照射する照射レンズ機構と、前記脆性材料基板の表面に冷媒を供給する冷却機構と、前記レンズ機構及び冷却機構が脆性材料基板表面の分断予定位置に沿って相対的に移動するように前記脆性材料基板を移動させる移動機構と、を備え、前記集光されるパルスレーザ光は、前記パルスレーザ光の被照射領域のうち前記パルスレーザ光の前記集光位置の直下に位置する第１の領域における前記脆性材料基板の構成物質の蒸発および飛散と、前記第１の領域に隣接する第２の領域における前記構成物質の溶融および再固化とを生じさせる、溶融アブレーションが生じる条件で前記脆性材料基板の表面に照射され、前記冷却機構は、前記パルスレーザが照射された脆性材料基板の表面に冷媒を供給する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項７の発明によれば、脆性材料基板をあらかじめ定められた分断予定線に沿って分断するにあたって、従来よりも基板厚み方向のより深い位置に分断のための起点を形成出来るとともに、分断後に得られる個片の端面強度を高めることができる。

レーザ加工装置１０の概略構成を模式的に示す図である。 パルスレーザ光ＬＢがレンズ機構３によって集光されて基板Ｗに照射される様子を示す、基板Ｗの厚み方向に垂直な断面図である。 溶融アブレーション加工とその後の冷却のメカニズムを説明するための、基板Ｗの厚み方向と加工予定線の延在方向との双方に垂直な断面図である。 実施の形態に係る溶融アブレーション加工および冷却を行った後の基板Ｗの様子と、他の手法による加工を行った後の基板Ｗの様子とを対比して示す図である。 条件１に従って溶融アブレーション加工を行った２つの基板Ｗについての断面ＳＥＭ像である。 条件２に従って溶融アブレーション加工を行った２つの基板Ｗについての断面ＳＥＭ像である。

＜レーザ加工装置の概略＞
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１０の概略構成を模式的に示す図である。レーザ加工装置１０は、レーザ光源１と、ミラー機構２と、レンズ機構３と、ＸＹステージ４と、冷却機構５と、を主に備える。本実施の形態に係るレーザ加工装置１０は、ガラス基板等の脆性材料基板（以下、単に基板）Ｗを対象とする、後述する態様での溶融アブレーション加工を、好適に実行可能なものとして構成されてなる。

レーザ光源１は、内部に備わる発振器からパルスレーザ光ＬＢを出射する。本実施の形態では、波長が３５５ｎｍのＵＶレーザ光をパルスレーザ光ＬＢとして出射するレーザ光源１を用いる。

ミラー機構２は、基板Ｗに対するパルスパルスレーザ光ＬＢの照射方向（照射角度）を調整・変更する部位である。図１においては図示の簡単のため、パルスレーザ光ＬＢを反射する一の鏡面のみがミラー機構２を構成し、これによって水平姿勢の基板Ｗに対し鉛直方向からパルスレーザ光ＬＢが照射される場合を例示しているが、実際には、複数の鏡面によってミラー機構２が構成されていてもよいし、プリズムや回折格子等がミラー機構２の構成要素に含まれる態様であってもよい。

レンズ機構３はパルスレーザ光ＬＢを集光する部位である。図１においては図示の簡単のため、レンズ機構３が一のレンズのみによって構成される場合を例示しているが、実際には、複数のレンズによってレンズ機構３が構成されていてもよい。レンズ機構３は、パルスレーザ光ＬＢの集光位置の上下方向の位置を調整可能に設けられる。

なお、本実施の形態において、集光位置とは、パルスレーザ光ＬＢの照射方向に垂直な断面におけるビーム径が最小となる位置である。これは、一般的にいうパルスレーザ光ＬＢの焦点位置に相当するが、パルスレーザ光ＬＢが焦点位置においても有限のビーム径を有することを考慮し、本実施の形態では、ビーム径が最小となる位置との意を込めて、焦点位置という文言に代えて集光位置なる文言を用いている。

係る集光位置の調整は、レンズ機構３を構成するレンズを交換することによって実現されてもよいし、レンズ機構３を構成するレンズの位置を図示しないアクチュエータ等の位置調整手段によって変更することによって実現される態様であってもよい。

ＸＹステージ４は、基板Ｗを載置するテーブルであり、水平面内において互いに直交する２つの方向（これらをＸ方向およびＹ方向とする）に移動可能である。ＸＹステージ４の上面に基板Ｗを載置固定した状態で、ＸＹステージ４をＸ方向またはＹ方向に移動させつつ、レーザ光源１からパルスレーザ光ＬＢを出射させることにより、パルスレーザ光ＬＢによる基板Ｗの走査が実現される。例えば、基板Ｗの表面にあらかじめ設定されてなる加工予定線に沿ってパルスレーザ光ＬＢを移動させることにより、該加工予定線に沿った基板Ｗの加工が実現される。

冷却機構５は、基板Ｗの表面に冷却媒体ＣＭを供給する。冷媒ＣＭは、水、アルコール、炭酸ガス、窒素ガスなどの液体もしくは気体、または液体と気体の混合物である。例えば、図１においてＸＹステージ４を紙面左方向に移動させつつ、パルスレーザ光ＬＢを基板Ｗの表面に照射すると同時に、冷却機構５から基板Ｗの表面に冷媒ＣＭを供給することにより、パルスレーザ光ＬＢによって加工された基板Ｗの表面を冷却する。

＜溶融アブレーション加工＞
次に、本実施の形態において行う、パルスレーザ光ＬＢによる溶融アブレーション加工について説明する。本実施の形態においては、基板Ｗをその表面にあらかじめ設定されてなる直線状の加工予定線（分断予定線）に沿って分断する際に起点となる部位を形成する目的で、溶融アブレーション加工を行うものとする。すなわち、本実施の形態に係る溶融アブレーション加工は、直線状の加工予定線に沿って溶融アブレーションを生じさせるものである。

図２は、パルスレーザ光ＬＢがレンズ機構３によって集光されて基板Ｗに照射される様子を示す、基板Ｗの厚み方向に垂直な断面図である。図３は、本実施の形態における溶融アブレーション加工とその後の冷却のメカニズムを説明するための、基板Ｗの厚み方向と加工予定線の延在方向との双方に垂直な断面図である。いずれの場合も、図面に垂直な方向がパルスレーザ光ＬＢの走査方向ということになる。

係る態様にて本実施の形態に係る溶融アブレーション加工を行うにあたっては、図２に示すように、パルスレーザ光ＬＢを、基板Ｗの上面Ｗａ（ＸＹステージ４に載置されていない側の表面）を集光位置Ｆとする態様にて、基板Ｗに照射する。係る態様にてパルスレーザ光ＬＢが照射されると、集光位置Ｆの近傍において基板Ｗが加熱される。パルスレーザ光ＬＢの照射条件を適宜に設定した場合、集光位置Ｆの直下の領域ＲＥ１は、基板Ｗの沸点を超える温度にまで加熱される。それゆえ、係る領域ＲＥ１からは、図３（ａ）に矢印ＡＲ１にて示すような基板Ｗの構成物質の蒸発・飛散、いわゆるアブレーションが生じる。一方、該領域ＲＥ１の周辺の領域ＲＥ２は、沸点よりは低いものの基板Ｗの融点を超える温度にまで加熱される。係る領域ＲＥ２では、基板Ｗの溶融が生じる。パルスレーザ光ＬＢが通過した後、放熱により温度が低下すると、領域ＲＥ２に存在している物質は再固化する。なお、溶融アブレーション加工とは、アブレーションが生じる領域ＲＥ１の周囲に、このような溶融・再固化が生じる領域ＲＥ２を積極的に形成することを意図した手法である点であり、このような領域の積極的な形成を意図しない単なるアブレーション加工とは異なるものである。

上述のような、領域ＲＥ１における蒸発・飛散と、その周辺の領域ＲＥ２における溶融・再固化とが生じた結果として、基板Ｗには、図３（ｂ）に示すように、走査方向に垂直な断面視において基板Ｗの上面Ｗａから下方へと（基板Ｗの厚み方向へと）延在する溝部Ｇが、加工予定線に沿って形成される。溝部Ｇは、基板Ｗを構成する物質が溶融・再固化することによりその表面形状が形成されてなり、かつ、基板Ｗの厚み方向に対して略対称な形状を有するが、局所的な形状的特徴の相違により、基板Ｗの上面側から順に、上端部Ｇ１、中間部Ｇ２、および底部Ｇ３という３つの部位が連続してなるものということができる。

上端部Ｇ１は、溝部Ｇの対向する１対のエッジをなす部分であり、それぞれのエッジ部分は、基板Ｗの上面Ｗａから連続する曲面からなる。それぞれのエッジ部分が、基板Ｗを溝部Ｇのところで分断することで得られる個々の個片のエッジとなる。より詳細には、上端部Ｇ１は、パルスレーザ光ＬＢの走査方向（溝部Ｇの延在方向）に垂直な断面との交線が適宜の曲率半径を有する滑らかな曲線となるように形成されてなる。その結果として、該分断後の個片は、大きな端面強度を有するものとなっている。これは、上述のような状態にて曲面状に形成されてなる上端部Ｇ１においては、マイクロクラックが発生しにくくなっているからであると考えられる。

中間部Ｇ２は、それぞれが上端部Ｇ１から連続する、基板の厚み方向に沿った一対の面が、対向してなる部位である。換言すると、中間部Ｇ２は、溝部Ｇの基板Ｗの厚み方向における延在部分に相当する部位であるともいえる。なお、中間部Ｇ２は、例えばパルスレーザ光ＬＢの走査方向（溝部Ｇの延在方向）に垂直な断面との交線が厚み方向に沿った直線となるような、略平坦な面が対向することで形成されていてもよいし、上端部Ｇ１の近傍よりも底部Ｇ３の近傍の方が間隔が広くなるような平坦面あるいは曲面として形成されていてもよい。

底部Ｇ３は、中間部Ｇ２をなす一対の面のそれぞれと連続してなる曲面である。より詳細には、底部Ｇ３は、溝部Ｇの延在方向に垂直な断面との交線が適宜の曲率半径を有する曲線となるように、形成されてなる。

また、パルスレーザ光ＬＢの集光位置Ｆの近傍であって、領域ＲＥ２よりも外側の領域では、融点にまでは達しないものの、パルスレーザ光ＬＢによる加熱は生じている。係る領域においては熱膨張が生じ、集光位置Ｆから外側に向けて引張応力Ｓ１が作用する。その一方、パルスレーザ光ＬＢによる加熱の影響を受けない基板Ｗの内部においては、上述の熱膨張を打ち消すべく、パルスレーザ光ＬＢの照射位置の下方に向けて圧縮応力Ｓ２が作用する。

このとき、パルスレーザ光ＬＢの走査速度が遅いなどの理由で、入熱量が一定量よりも大きい場合、圧縮応力Ｓ２が作用した結果として、パルスレーザ光ＬＢが通過した直後から始まる放熱時に、パルスレーザ光ＬＢの照射によって形成された溝部Ｇの底部Ｇ３の最下端部から下方に向けて、亀裂（垂直クラック）ＣＲが伸展する。

すなわち、本実施の形態においては、基板Ｗに対し溶融アブレーション加工を行った結果として、溝部Ｇの形成と、その直下からの亀裂ＣＲの伸展との双方が、実現されるものとなっている。

そして、図３（ｂ）に示すように、上端部Ｇ１、中間部Ｇ２、および底部Ｇ３のそれぞれの深さをＤ１、Ｄ２、Ｄ３とすると、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の総和が溝部Ｇの深さＤとなり、さらに亀裂ＣＲの長さをＬとすると、溝部Ｇの深さＤと亀裂ＣＲの長さの和Ｄ＋Ｌが、本実施の形態に係る溶融アブレーション加工における加工深さということになる。

なお、上述のような態様での溝部Ｇと亀裂ＣＲの同時形成が実現される、本実施の形態における溶融アブレーション加工は、上述のように、波長が３５５ｎｍのＵＶレーザ光をパルスレーザ光ＬＢとし、基板Ｗの上面Ｗａを集光位置とするほか、以下のような加工条件をみたすことで実現される。

レーザ出力：４Ｗ〜２０Ｗ；
レーザ強度：１．５６×１０^１０Ｗ／ｃｍ^２〜７．８１×１０^１０Ｗ／ｃｍ^２；
パルス繰り返し周波数：０．２ＭＨｚ〜１．０ＭＨｚ；
パルス幅：０．５ｎｓ〜１００ｎｓ；
走査速度：１００ｍｍ／ｓ〜４００ｍｍ／ｓ；
オーバーラップ率：９３．５％〜９８．２５％；
集光位置における集光径：６μｍ〜１０μｍ

ここで、走査速度とは、一般的にはパルスレーザ光ＬＢを基板Ｗに対して相対移動させる際の速度であるが、レーザ加工装置１０においては、パルスレーザ光ＬＢに対して基板Ｗを載置したＸＹステージ４を移動させる速度がこれに該当する。

また、オーバーラップ率とは、パルスレーザ光ＬＢの個々のパルス光（単パルス光）の被照射領域の重なりの程度を示す値であり、パルス繰り返し周波数と走査速度とで定まる単パルス光のピッチに対する集光径の比として求められる。ピッチの値が集光径よりも大きければ、オーバーラップ率は０％となり、ピッチの値が集光径の１／２であれば、オーバーラップ率は５０％となる。

なお、上述の加工条件のうち、レーザ強度は、一の被照射領域に対し単パルス光が一度照射されるのみでは、つまりは、オーバーラップ率が０％の場合にはアブレーションが生じることのない範囲の値として設定されてなる。より詳細には、上述の範囲のオーバーラップ率がみたされる場合にのみ、溶融アブレーションが生じるように設定されてなる。なお、仮に、レーザ強度が上述の範囲に設定され、かつ、オーバーラップ率が０より大きいものの上述の範囲より小さい値に設定された場合には、集光位置Ｆにおいて、物質の蒸発・飛散のない溶融・再固化のみか、あるいは、クラックの発生・伸展のみが生じることが、本発明の発明者によってあらかじめ確認されている。

また、上述の加工条件を適宜に調整することで、溝部Ｇの深さＤは１０μｍ〜１５μｍとすることができ、亀裂ＣＲの長さＬは２μｍ〜３μｍとすることが可能である。ただし、実際の値は、個々の基板Ｗの材質によっても異なる。

＜冷却処理＞
以上のような態様にて溶融アブレーション加工がなされた基板Ｗは、当該加工後の状態のままでも、亀裂ＣＲの最下端部を起点とした分断を行い得るものではあるが、本実施の形態においては、上述した態様にて形成された亀裂ＣＲをより伸展させるべく、図３（ｃ）に示すように、溶融アブレーション加工がなされた直後の基板Ｗの上面Ｗａに対し、矢印ＡＲ２に示すような態様にて冷媒を接触させることで、基板Ｗを上面Ｗａの側から冷却する。

係る態様にて冷却を行うと、基板Ｗの上面Ｗａの近傍では、一時的に、溝部Ｇから外側に向けて引張応力Ｓ３が作用する。一方、直接に冷媒と接触しない基板Ｗの内部においては、係る引張応力Ｓ３が作用したことに伴って、亀裂ＣＲに向けて圧縮応力Ｓ４が作用する。別の見方をすれば、基板Ｗの内部においては、上面Ｗａとの間に温度差が生じることに伴って、圧縮応力Ｓ４が作用する。係る圧縮応力Ｓ４が作用した結果として、図３（ｄ）に示すように、亀裂ＣＲが基板の厚み方向へとさらに伸展する。係る冷却時の亀裂ＣＲの伸展長さをΔＬとすると、ＬＬ＝Ｌ＋ΔＬが最終的な亀裂ＣＲの長さとなる。なお、冷却による亀裂ＣＲの伸展長さΔＬは、４μｍ程度である。

係る冷却後の基板Ｗにおいては、後工程において分断する際の起点が、基板Ｗの上面Ｗａから距離Ｄ＋ＬＬの深さにある亀裂ＣＲの最下端部となる。基板Ｗの種類や溶融アブレーションの条件にもよるが、冷却を行うことで、冷却後の加工深さＤ＋ＬＬは、冷却前の加工深さＤ＋Ｌに対して数十％程度大きくなる。溶融アブレーション加工後に冷却を行うことにより、溝Ｇのみが形成され、溝Ｇの最下端部が分断の起点となる場合に比して、あるいは、溶融アブレーション加工のみを行った場合に比して、より容易かつ確実な分断が実現される。

冷却手法としては、種々の態様が適用可能である。例えば、冷媒には、純水などの液体を用いてもよいし、低温の炭酸ガスなどの気体を用いてもよい。また、冷媒の供給態様としては、溶融アブレーション加工が終了した後の基板Ｗの上面Ｗａ全体に冷媒を供給する態様であってもよいし、パルスレーザ光ＬＢの照射の進行中に（つまりは溝部Ｇおよび亀裂ＣＲの形成途中に）、すでに溝部Ｇおよび亀裂ＣＲが形成されている箇所に対しピンポイントに冷媒を供給する態様であってもよい。

図４は、本実施の形態に係る溶融アブレーション加工およびその後の冷却を行った後の基板Ｗの様子と、他の手法による加工を行った後の基板Ｗの様子とを対比して示す図である。図４（ａ）は、図３（ｄ）に示した冷却後の様子を再掲したものである。

これに対して、図４（ｂ）に示すのは、溶融を積極的に生じさせない単なるアブレーションのみが生じる条件で加工を行った場合（以下、従来手法１と称する）の、基板Ｗの厚み方向と加工予定線の延在方向との双方に垂直な断面図である。係る加工は、上述の範囲よりもレーザ強度を大きくすることで実現される。

図４（ｂ）に示すように、従来手法１の場合も、本実施の形態に係る溶融アブレーションを行った場合と同様、溝部Ｇαが形成される。ただし、溝部Ｇαの深さＤαは溝部Ｇの深さＤと同程度となるものの、溝部Ｇαの底部からは亀裂（垂直クラック）はほとんど伸展しない。これは、仮に引き続き基板Ｗを冷却したとしても同様である。

すなわち、本実施の形態に係る溶融アブレーションと冷却との組合せの方が、図４（ｂ）に例示する、従来手法１よりも（あるいはさらに冷却を行った場合よりも）、分断の起点をより深い位置に形成することができるので、容易かつ確実な分断が実現可能となる。

また、溝部ＧαのエッジＥは、角張っている。それゆえ、分断後に得られる個片の端面強度は、エッジ部分が曲面となる本実施の形態の場合に比して弱くなる。本実施の形態に係る態様にて溶融アブレーションを行った場合、分断後の個片の端面強度は、従来手法１の場合の概ね４倍から５倍程度となる。それゆえ、従来手法１にて加工を行った場合よりも分断後の個片の端面強度をより高めることができる、という効果も得られる。

また、図４（ｃ）に示すのは、特許文献２に例示された態様と同様、パルスレーザ光として波長が２６６ｎｍのＵＶレーザを用い、かつ、基板Ｗの下面Ｗｂよりも下方に集光位置を設定して溶融アブレーション加工を行った場合（以下、従来手法２と称する）の、基板Ｗの厚み方向と加工予定線の延在方向との双方に垂直な断面図である。

図４（ｃ）に示すように、従来手法２の場合も、本実施の形態に係る溶融アブレーションを行った場合と同様、溝部Ｇβが形成される。ただし、溝部Ｇβの深さＤβは溝部Ｇの深さＤに比して小さい範囲に留まる。具体的には、せいぜい６μｍ〜８μｍ程度である。溝部Ｇβは、概略、本実施の形態において形成される溝部Ｇの中間部Ｇ２に相当する部分を有さず、上端部Ｇ１と底部Ｇ３に相当する部分のみを有するように形成される。また、溝部Ｇβの底部からも亀裂（垂直クラック）はほとんど伸展しない。

それゆえ、本実施の形態に係る溶融アブレーションと冷却との組合せの方が、図４（ｃ）に例示する従来手法２よりも、分断の起点をより深い位置にまで形成することができるので、容易かつ確実な分断が実現可能である。

また、従来手法２の場合においても分断後の個片のエッジは曲面となるが、本実施の形態に係る溶融アブレーション加工の方が、分断後に得られる個片の端面強度が大きくなることが、実験的に確認されている。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、脆性材料基板をあらかじめ定められた分断予定線に沿って分断するにあたって、波長が３５５ｎｍのＵＶレーザ光を、基板の上面に集光位置を保った状態で、溶融アブレーションが生じる条件で分断予定線に沿って走査しつつ照射し、その後冷却を行うことで、従来よりも基板厚み方向のより深い位置に分断のための起点を形成出来るとともに、分断後に得られる個片の端面強度を高めることができる。

実施例として、厚さ０．３ｍｍのガラス基板（日本電気硝子社製ＯＡ−１０Ｇ、熱膨張係数３８×１０^−７／℃）に対し、直線状に定めた加工予定線に沿って、以下の４通りに条件を違えて溝部Ｇおよび亀裂ＣＲの形成を試みた。

具体的には、２つの基板Ｗに対して以下の条件１に従った溶融アブレーションを行い、そのうちの一方の基板Ｗのみに、純水による冷却を行った。

＜条件１＞
レーザ波長：３５５ｎｍ；
レーザ出力：１２．０Ｗ；
レーザ強度：４.６９×１０^１０Ｗ／ｃｍ^２；
パルス繰り返し周波数：１ＭＨｚ；
パルス幅：１ｎｓ；
走査速度：３５０ｍｍ／ｓ；
オーバーラップ率：９３．９％；
集光位置：基板表面；
集光位置における集光径：６μｍ。

冷却処理は、パルスレーザ光ＬＢの走査方向においてパルスレーザ光ＬＢの集光位置より１５ｍｍ後方の位置に対し、基板Ｗの上面Ｗａより５ｍｍ上方の位置から純水を供給することにより行った。供給流量は１ｍｌ／ｍｉｎ．とした。

また、別の２つの基板Ｗに対して以下の条件２に従った溶融アブレーションを行い、そのうちの一方の基板Ｗのみに、炭酸ガスによる冷却を行った。

＜条件２＞
レーザ波長：３５５ｎｍ；
レーザ出力：４．０Ｗ；
レーザ強度：１.５６×１０^１０Ｗ／ｃｍ^２；
パルス繰り返し周波数：１ＭＨｚ；
パルス幅：１ｎｓ；
走査速度：１００ｍｍ／ｓ；
オーバーラップ率：９８．３％；
集光位置：基板表面；
集光位置における集光径：６μｍ。

冷却処理は、パルスレーザ光ＬＢの走査方向においてパルスレーザ光ＬＢの集光位置より１５ｍｍ後方の位置に対し、基板Ｗの上面Ｗａより５ｍｍ上方の位置から低温（約−２０℃）の炭酸ガスを供給することにより行った。供給流量は１ｍｌ／ｍｉｎ．とした。

図５および図６はそれぞれ、条件１および条件２に従って溶融アブレーション加工を行った２つの基板Ｗについての断面ＳＥＭ像である。図５（ａ）および図６（ａ）が冷却を行わなかった基板Ｗについての像であり、図５（ｂ）および図６（ｂ）が冷却を行わなかった基板Ｗについての像である。

図５および図６のいずれにおいても、冷却を行った場合の加工深さ（Ｄ＋ＬＬ）が、冷却を行わなかった場合の加工深さ（Ｄ＋Ｌ）よりも大きくなっている。

係る結果は、溶融アブレーション加工と冷却処理とを組み合わせることが、分断の起点をより深い位置に形成するうえにおいて有効であることを意味している。

１ レーザ光源
２ ミラー機構
３ レンズ機構
４ ＸＹステージ
５ 冷却機構
１０ レーザ加工装置
ＣＭ 冷却媒体
ＣＲ 亀裂
Ｅ （溝部Ｇαの）エッジ
Ｆ 集光位置
Ｇ、Ｇα、Ｇβ 溝
Ｇ１ （溝部Ｇの）上端部
Ｇ２ （溝部Ｇの）中間部
Ｇ３ （溝部Ｇの）底部
ＬＢ パルスレーザ光
Ｓ１、Ｓ３ 引張応力
Ｓ２、Ｓ４ 圧縮応力
Ｗ 基板
Ｗａ （基板Ｗの）上面
Ｗｂ （基板Ｗの）下面

Claims (7)

1. 脆性材料基板を分断予定位置に沿って加工する方法であって、
   パルスレーザ光を集光して、前記脆性材料基板の表面に、前記分断予定位置に沿って走査しつつ照射することにより、前記分断予定位置に沿った溝部を形成するとともに前記溝部から前記基板の厚み方向へと伸展する亀裂を形成する、溶融アブレーション工程と、
   前記溶融アブレーション工程を経た前記脆性材料基板の表面を冷却する冷却工程と、
   を備え、
   前記溶融アブレーション工程においては、前記パルスレーザ光の被照射領域のうち前記パルスレーザ光の前記集光位置の直下に位置する第１の領域における前記脆性材料基板の構成物質の蒸発および飛散と、前記第１の領域に隣接する第２の領域における前記構成物質の溶融および再固化とを生じさせる、溶融アブレーションが生じる照射条件にて、前記パルス光を照射することにより、前記溝部の対向する１対のエッジをなす部分である前記溝部の上端部が、前記脆性材料基板の上面から連続する曲面として形成される、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
2. 請求項１に記載の脆性材料基板の加工方法であって、
   前記パルスレーザ光はＵＶレーザである、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の脆性材料基板の加工方法であって、
   前記冷却工程においては液体、気体または液体と気体の混合物により前記脆性材料基板の表面を冷却する、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の脆性材料基板の加工方法であって、
   前記溶融アブレーション工程においては、前記溝部が、前記上端部と、中間部と、底部との３つの部位からなるように形成され、
   前記中間部は、それぞれが前記上端部から連続する、前記脆性材料基板の厚み方向に沿った一対の面が、対向するようにあるいは前記上端部の近傍よりも前記底部の近傍の方が間隔が広くなるような平坦面あるいは曲面として形成され、
   前記底部は、前記中間部をなす前記一対の面のそれぞれと連続してなる曲面として形成される、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の脆性材料基板の加工方法であって、
   前記溶融アブレーション工程においては、オーバーラップがない場合にはアブレーションが生じることのないレーザ強度の単パルス光をオーバーラップさせた前記パルスレーザ光の照射によって前記溶融アブレーションを生じさせる、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
6. 請求項５に記載の脆性材料基板の加工方法であって、
   前記パルスレーザ光は波長が３５５ｎｍのＵＶレーザであり、
   前記溶融アブレーション工程においては、
   レーザ出力：４Ｗ〜２０Ｗ；
   レーザ強度：１．５６×１０ ^１０ Ｗ／ｃｍ ^２ 〜７．８１×１０ ^１０ Ｗ／ｃｍ ^２ ；
   パルス繰り返し周波数：０．２ＭＨｚ〜１．０ＭＨｚ；
   パルス幅：０．５ｎｓ〜１００ｎｓ；
   走査速度：１００ｍｍ／ｓ〜４００ｍｍ／ｓ；
   オーバーラップ率：９３．５％〜９８．２５％；
   集光位置における集光径：６μｍ〜１０μｍ、
   という条件で前記パルスレーザ光が照射される、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工方法。
7. 脆性材料基板表面の分断予定位置に沿ってレーザ光を照射するレーザ加工装置であって、
   パルスレーザを出射するレーザ光源と、
   前記パルスレーザを集光して前記脆性材料基板の表面に照射する照射レンズ機構と、
   前記脆性材料基板の表面に冷媒を供給する冷却機構と、
   前記レンズ機構及び冷却機構が脆性材料基板表面の分断予定位置に沿って相対的に移動するように前記脆性材料基板を移動させる移動機構と、
   を備え、
   前記集光されるパルスレーザ光は、前記パルスレーザ光の被照射領域のうち前記パルスレーザ光の前記集光位置の直下に位置する第１の領域における前記脆性材料基板の構成物質の蒸発および飛散と、前記第１の領域に隣接する第２の領域における前記構成物質の溶融および再固化とを生じさせる、溶融アブレーションが生じる条件で前記脆性材料基板の表面に照射され、
   前記冷却機構は、前記パルスレーザが照射された脆性材料基板の表面に冷媒を供給する、
   ことを特徴とする脆性材料基板の加工装置。